Расписанные билеты по ЛИОЭС

10. Альтиметрический лидар. Назначение, устройство и характеристики излучения лазера, используемого в этом лидаре.

11. Батиметрический лидар. Назначение, устройство и

характеристики излучения лазеров, используемого в этом лидаре.

Батиметрический лидар (или просто – батиметр, от греч. bathys –

глубина, дно), как и альтиметр, по принципу действия относится к классу лазерных дальнометрических систем. Но если для зондирования атмосферы лазеры используются с начала 1960-х гг., то для исследования гидросферы (а

именно в этой области применяют батиметры) – только с середины 1970-х.

Основная область применения батиметров – измерение глубины и топографирование поверхности дна водоемов, а также контроль оптических свойств приповерхностных вод с целью определения загрязнений

(взвешенных и растворенных органических и неорганических частиц) и их эволюции во времени. До появления батиметров гидрографические исследования всегда проводились пассивными, причем довольно трудоемкими методами (промером глубин, взятием проб, подводной фотосъемой и т. д.) Появление батиметрических лидаров положило начало новому этапу в гидрографии: данные о морском дне, состоянии воды и поверхностных загрязнениях с помощью лазерных приборов собираются очень быстро, с высокой точностью (разрешение по глубине составляет до долей метра) и практически в любых погодных условиях.

Одно из первых применений батиметров – это исследование профиля дна озера Онтарио, проведённое в конце 1960-х гг. В ходе этой работы лазер и приемная оптическая система были размещены на самолете, летевшем на высоте около 150 м над уровнем воды. Дно озера было «прописано» с

разрешением около 34 см.

Принцип действия океанографического (батиметрического) лидара поясняет рис. 2.11. Импульсы лазерного излучения проходят через иллюминатор (в нижней части фюзеляжа самолета). Рассеянное на поверхности воды излучение (обычно – в красной или ИК-области) и

излучение, прошедшее через толщу воды и рассеянное на дне (в сине-зеленой области), собираются приемником через тот же иллюминатор. Глубина определяется по измеренной временной задержке t между двумя импульсами: d = ct/(2n), где c – скорость света; n – показатель преломления воды, т. е. здесь,

как и в случае альтиметра, используется метод дальнометрии.

Принцип работы батиметрических лидаров основан на оптических явлениях, возникающих на поверхности и в толще воды. Очень важное значение имеет то обстоятельство, что ИК-излучение быстро поглощается в воде, в то время как излучение в сине-зеленой области может проникать на глубины в несколько метров (и даже десятки метров) (рис. 2.10). Технические характеристики батиметрических лидаров определяются в первую очередь свойствами воды – отношением коэффициентов затухания света, связанных с поглощением и рассеянием в воде ka/ks , а также отражательной способности дна и общего коэффициента затухания k = ka + ks . Если предположить, что дно отражает как ламбертов источник, то часть излучения от дна на глубине d,

собранная лидарной приемной системой, определяется выражением:

где AS – площадь водной поверхности в пределах поля зрения приемной системы (рис. 2.11). Из рис. 2.11 видно, что

где Ao – эффективная площадь поверхности в поле зрения лидара; H –

высота, на которой размещен лидар. Тогда

Таким образом, энергия, рассеянная исследуемым веществом

(например, микроорганизмами, содержащимися в воде) с сечением рассеяния

σs(λ), собранная приемником на длине волны λ с глубины d, равна:

где Ns – объемная плотность рассеивающего вещества на глубине d; ξ(λ)

–спектральное пропускание приемной системы; ξ(H) – коэффициент геометрического перекрытия отраженного пучка и приемного объектива; T(H)

–ослабление пучка в атмосфере с учетом двойного его прохождения; ϕ –

коэффициент пропускания на границе воздух – вода и вода – воздух, в котором учитывается влияние волнистости водной поверхности; λL – длина волны излучения лазера. Для батиметра это выражение определяет энергию,

собранную приемником с поверхности воды:

А энергия от дна определяется другим выражением:

где ρ(λL) и ρb(λL) – коэффициенты обратного рассеяния для поверхности воды и подповерхностных слоев соответственно. Коэффициенты ослабления для прохождения пучка вниз k‒ и вверх k+ могут отличаться из-за

расходимости пучка.